[Ano] Motor CC sem escovas (brushless) Campus Virtual Cruzeiro do Sul

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1 [Ano] Motor CC sem escovas (brushless)

2 Unidade - Motor CC sem escovas (brushless) MATERIAL TEÓRICO Responsável pelo Conteúdo: Prof. Ms. Silvio Szafir Revisão Textual: Profa. Dr. Patricia Silvestre Leite Di Iorio 2

3 A primeira observação em um motor de corrente contínua sem escovas, ou o motor Brushless, ou BLDC motor, como é comumentemente conhecido (mesmo no mercado nacional) é que não há contatos elétricos do tipo escovas e comutador em sua construção. A segunda, diferente de um motor CC convencional, observa-se que o seu enrolamento encontra-se no estator (figura 1) e no rotor encontram-se imãs permanentes. Figura 1: Foto do estator de um motor BLDC (créditos: Microchip Corporation, EUA) Vale citar que o grande avanço no desenvolvimento do motor BLDC ocorreu devido a industria aeroespacial e a de periféricos de computadores, onde o alto desempenho, associado com a confiabilidade e baixa manutenção são fatores essenciais em um dispositivo eletromecânico. Atualmente, um grande número de motores BLDC são utilizados, particularmente nos tamanhos até algumas centenas de Watt de potência. As versões menores que 100W tem surgido e são fabricadas com todo o seu controle e circuito de eletrônica de potência integrados (Figura 2) junto da própria carcaça do motor, de forma que o motor BLDC pode substituir e servir de reposição ao motor CC convencional (com escovas). A industria nacional WEG motores fabrica motores do tipo brushless (síncronos) para atividades indutriais nas áreas de petróleo e de laminação de aço entre outras aplicações. 3

4 Motores com capacidade de até kW e tensões de 220 a V (crédito: catalogo WEG motores) Figura: motor BLDC com acionamento embarcado ( Uma vez que a dissipação do aquecimento de todo o circuito está localizado no estator, a ventilação é muito melhor que a existente no motor convencional, dessa forma para uma mesma classe e tamanho pode-se alcançar saídas maiores. Da mesma forma, a inércia do rotor pode ser menor que no caso da armadura de um motor convencional, o que significa dizermos que a taxa entre Torque Inércia do motor BLDC é melhor, oferecendo uma aceleração mais alta. E, também vale lembrar de que, velocidades mais altas são praticadas no BLDC pois o mesmo não possui comutadores mecânicos em sua construção. Figura: Motor BLDC (ST Microelectronics, Motor Control Reference Guide, 2009, Italy) 4

5 Também é interessante comentarmos de que não há diferenças entre motor BLDC e motores síncronos de imãs permanentes, portanto é razoável que fiquemos a pensar porque alguns motores são descritos como sendo motores CC brushless (BLDC) e outros não. Não há de fato uma razão lógica e nem uma definição universal, ou alguma terminologia definida. Porém, é comumentemente aceito a prática de que o termo motor de corrente contínua brushless fica restrito em uma categoria de motores síncronos de imãs permanentes na qual o rotor magnético e o enrolamento do estator são projetados e dimensionados de forma a produzir uma forma de onda da densidade de fluxo no entreferro que possui uma forma trapezoidal. O torque no motor BLDC segue a mesma forma de onda, que pode ser observada na figura a seguir. Crédito: Freescale Semiconductors Tais motores são controlados por acionamentos conhecidos como inversores que produzem uma forma de onda retangular da corrente, que são os chaveamentos iniciados pelos sinais digitais a partir de sensores de posição do rotor. Essa combinação permite que o motor desenvolva um torque mais suave independente da velocidade de rotação, sem necessitar de um complicado sensor de posição. 5

6 Olhando dessa forma, essencialmente o motor BLDC é comutado eletronicamente e pode ser considerado como um motor CC convencional que pode ser controlado da mesma forma que o motor CC. A comutação ds enrolamentos do estator de um motor BLDC do tipo trifásico, pode ser observada na figura a seguir. Crédito: Freescale Semiconductors A distribuição do campo magnético no motor BLDC pode ser observada na figura em corte a seguir, apresentando o estator do motor, com o espaço para seu enrolamento e o rotor de imãs permanentes do motor. Figura: Campo magnético em um motor CC sem escovas (BEI Kimco Magnetics, BLDC Product Guide, USA) 6

7 Na unidade I nós vimos o motor CC e como o torque nele é gerado e observamos que um motor com escovas possui mais de um enrolamento, onde cada enrolamento (bobina) é defasado angularmente da outra de forma que quando o torque de uma bobina cai, a corrente é chaveada automaticamente para a próxima bobina que está adequadamente posicionada para produzir torque máximo. Crédito: Freescale Semiconductors Agora na unidade II, estamos falando do motor BLDC, que é o motor de corrente contínua sem escovas. Num motor BLDC a posição das bobinas (fases) em relação ao campo magnético de imãs permanentes é sentido eletrônicamente e a corrente é chaveada, ou comutada, para a fase apropriada. A comutação, nesse caso, acontece através de chaves transistorizadas 7

8 Crédito: Dave Wilson/Freescale Semiconductors (adaptado de Eastern Air Devices, Inc) Num motor BLDC um enrolamento polifásico similar ao usado em motores de corrente alternada é utilizado. Nesse circuito, as fases são comutadas como uma função da posição do eixo (rotor). É comum o uso de projetos de motores com 2, 3 ou 4 fases. A mais comum dessas, são modelos de 3 fases. Essa configuração otimiza o desempenho, mesmo que isso requeira mais componentes eletrônicos. Uma animação sobre a construção e operação do motor BLDC pode ser observada no endereço a seguir: Observando um catalogo de motores, verifica-se que há três tipos de enrolamentos de três fases disponíveis: bipolar do tipo triângulo (delta), bipolar do tipo estrela (Wye) e unipolar do tipo Estrela (Wye). Figura: três tipos de enrolamentos do motor BLDC (BEI Kimco Magnetics, BLDC Product Guide, USA) 8

9 A figura a seguir ilustra um diagrama de acionamento de um motor BLDC. (1) a (6) são transistores atuando como comutadores (chaves) e o motor possui realimentação da posição através de sensores de efeito Hall. Figura: Diagrama acionamento motor BLDC para acionamento bipolar do tipo Estrela (Wye) Observando-se a figura, com o chaveamento adequado das bobinas (enrolamentos) do motor, habilita-se o fluxo da corrente. Fechando os transistores (1) e (4) permite energizar as fases A e B. Se no próximo instante abrirmos (1) e fecharmos (5) então a corrente irá fluir pelas fases B e C e com isso o rotor terá deslocado 120º elétricos. A forma de onda da comutação dos transistores de acionamento e dos sensores de efeito Hall, em um motor BLDC, pode ser vista nas figuras a seguir. Crédito: Freescale Semiconductors 9

10 Na hora de escolher um motor BLDC, de forma geral, são três os parâmetros que determinarão a sua seleção: (1) requisitos do torque máximo, ou de pico (2) requisitos do torque RMS (3) a velocidade de operação do motor É possível encontrar diversas informações sobre motores CC brushless na internet. Faça uma busca em fabricantes de motores, obtenha os catálogos de motores BLDC e observe suas características de torque e requisitos de acionamento. A seguir, comparando-os com os mesmos dados de catálogos de motor CC convencional. No endereço é possível verificar a forma de construção de motores brushless de pequeno porte, atualmente utilizados em aeromodelos. 10

11 Exercícios: Após sua pesquisa na rede Internet, nos portais dos fabricantes de motores CC brushless (BLDC) e de semicondutores, responda os seguintes itens a seguir: 1. No motor BLDC é possível o controle com uma forma de onda senoidal, no lugar dos passos retangulares? Justifique sua resposta. 2. No motor BLDC é possível o seu controle sem o uso de sensores de efeito Hall? Justifique sua resposta. 3. O que é um sensor de efeito Hall? 4. Explique com as suas palavras: O que é um motor BLDC de entreferro axial? Indique através de um diagrama, figura ou foto, sua forma construtiva, indicando os créditos e/ou a fonte de sua pesquisa. 5. O desempenho de um motor BLDC no quesito da oscilação de torque está diretamente ligado ao número de fase e ao número de comutadores eletrônicos de seu controle. Você concorda com a afirmação acima? Justifique sua resposta indicando o que acontece com o torque no motor, para diferentes números de fases. 11

12 Anotações 12

13 Referências CARVALHO, G., Máquinas Elétricas Teoria e ensaios. 2 ed. São Paulo: Érica HUGHES, A. Electric Motors and Drives.Newnes, 2nd Ed, WILSON, D. The Wonderful World of Motion, Motor Control Seminar Series, São Paulo, ALVES, M. Auto Week Brasil. Freescale, Março de VITHAYATHIL, J. Power Electronics Principles and Applications. McGraw-Hill AHMED, A. Eletrônica de Potência. Ed. Pearson, KOSOW, I. L. Máquinas Elétricas e Transformadores. 12 ed. Rio de Janeiro: Ed. Globo FALCONE, A. G. Eletromecânica. 3 reimp. Ed. Blucher GAYAKWAD, R.; SOKOLOFF, L. Analog and Digital Control Systems. Ed. Prentice-Hall

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